離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計探索

摘 要：隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，太陽能作為一種清潔的可再生能源引起了廣泛關(guān)注。光伏發(fā)電是太陽能直接應(yīng)用的一種重要方式，文章以浙江省衢州市離網(wǎng)光伏發(fā)電項目為案例，從電池組件容量設(shè)計、蓄電池容量分析等角度出發(fā)，分析了家用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)；光伏陣列；蓄電池組

1 概述

太陽能是一種清潔和可再生能源。我國具有較好的太陽能資源，但是也是一個能源消耗大國，而且人口分布也極不合理，所以發(fā)展太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對于我國的可持續(xù)發(fā)展、能源供給具有較好的獨立性和安全性。隨著光伏發(fā)電成本的迅速降低，以及我國光伏發(fā)電迅速發(fā)展的背景下，離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)將走入千家萬戶。文章以浙江省衢州市離網(wǎng)光伏發(fā)電項目為案例，從電池組件容量設(shè)計、蓄電池容量分析、控制器選擇、逆變器選配等角度出發(fā)，分析了家用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案。

2 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)工作原理

典型離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由電池陣列、控制器、蓄電池、逆變器、負(fù)載等部件組成，其工作原理如圖1所示。太陽能光伏發(fā)電的核心部件是太陽能電池陣列，它將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能，并通過控制器把光伏陣列產(chǎn)生的電能存儲于蓄電池中。當(dāng)負(fù)載用電時，蓄電池中的電能通過控制器、逆變器送入各個負(fù)載上。

圖1 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計方法

對于離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計，在太陽輻射量（平均值）、地理位置（經(jīng)度、維度）、用電量（平均）、環(huán)境地形等條件確定的情況下，我們設(shè)計的主要內(nèi)容為離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、太陽能電池方陣容量和結(jié)構(gòu)、蓄電池容量和結(jié)構(gòu)、控制器選配、逆變器選配等，同時需要綜合考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和穩(wěn)定性。圖2為離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方法框圖。

從圖2中可以看出，離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計步驟為：首先分析系統(tǒng)用電需求；確定離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；分析當(dāng)?shù)靥柲苜Y源和氣象地理條件數(shù)據(jù)的收集、計算；確定系統(tǒng)容量設(shè)計，包括系統(tǒng)電壓的確定，太陽能電池組件功率、方陣構(gòu)成的設(shè)計，蓄電池（組）的容量、結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算；最后進(jìn)行離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)其他電氣設(shè)備的配置與設(shè)計，其中包括控制器的選型與配置、交流逆變器的選型與配置、組件支架及固定方式設(shè)計等。

4 家用離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

家用離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)包括電池組件、光伏控制器、蓄電池、逆變器及負(fù)載。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4.1 系統(tǒng)負(fù)載用電需求分析

由于家用用電設(shè)備中存在較多“待機(jī)”電氣設(shè)備，難以用額定功率及用電時間求取耗電量，最為簡捷的方法就是通過月平均耗電量，來核算電氣設(shè)備每天耗電量。但是，對離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，要保證系統(tǒng)全年缺電率為零，只要保證該系統(tǒng)在耗電量最多的月份或時間段內(nèi)，且光照資源等氣象因素最差的情況下能正?？煽窟\(yùn)行就可。如果能保證上述最惡劣情況下，系統(tǒng)能正常運(yùn)行，那么該系統(tǒng)也能滿足其他時間段的用電需求。所以從我國浙江省家庭負(fù)載運(yùn)行情況來看，冬季2月份是用電高峰期，同時也是光照資源最差的時間段。

假設(shè)一家庭用電設(shè)備在冬季2月達(dá)到最高耗電量300kWh，可得平均每天耗電10kWh。

4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于家用離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中存在交流用電設(shè)備和直流用電設(shè)備，所以家用離網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用如圖1所示結(jié)構(gòu)，包括電池陣列、控制器、蓄電池、逆變器、負(fù)載等部件。

4.3 氣象資源獲取

由于我國當(dāng)前具有太陽資源測量的氣象站較少，在實際工程項目中，我們一般采用RETScreen軟件來獲取當(dāng)?shù)靥栙Y源。圖3為利用RETScreen獲取浙江衢州的太陽資源。

由此可得，該地區(qū)每月平均每天氣象資源如表1所示。

4.4 電池組件容量及結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.4.1 系統(tǒng)直流電壓確定

系統(tǒng)直流電壓U也稱為系統(tǒng)電壓，其是蓄電池、控制器、逆變器輸入端的直流電壓值。常見離網(wǎng)系統(tǒng)直流電壓有12V、24V、48V、96V、110V等。根據(jù)本項目實際情況，結(jié)合后續(xù)蓄電池組、逆變器、控制器的選配情況，本方案系統(tǒng)電壓設(shè)置96V。

4.4.2 光伏陣列總?cè)萘吭O(shè)計

光伏陣列總?cè)萘烤褪窍到y(tǒng)所有電池組件容量之和。光伏陣列總?cè)萘康拇笮≈饕c負(fù)載日耗電量有關(guān)。有如下關(guān)系：

Gp·？濁=Gf

Gp=H·PB

式中Gp表示組件日發(fā)平均電量，單位kWh；Gf表示負(fù)載每日平均耗電量，單位kWh；？濁為系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，包括充電效率系數(shù)？濁1，逆變器轉(zhuǎn)換系數(shù)？濁2，組件損耗系數(shù)？濁3，其中？濁1、？濁2、？濁3分別取0.9系數(shù)；H表示當(dāng)?shù)厝辗逯等照諘r數(shù)，單位h；PB表示光伏陣列最小總?cè)萘浚瑔挝粀。

在此離網(wǎng)系統(tǒng)中，冬天2月為耗電量最大時間，故在上述求解光伏陣列總?cè)萘康姆逯等照諘r數(shù)必須采用冬天2月的平均峰值日照時數(shù)。

例如，家用離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載日耗電10kWh，而且上述峰值日照時數(shù)為2.43h，則可得光伏陣列總?cè)萘縋B為5.63KW。上述光伏陣列總?cè)萘繛樵撾x網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)實際最小容量，實際略大于該值。

4.4.3 單體組件選擇及光伏陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計

光伏陣列是通過單體電池組件串并聯(lián)得到的。

M×N×Pd=P？叟PB

式中，M為電池組件串聯(lián)數(shù)，取整數(shù)；N為電池組件并聯(lián)數(shù)，取整數(shù)；Pd為單體電池組件容量；P是電池方陣實際容量。

在單體電池組件規(guī)格選擇上，要根據(jù)系統(tǒng)電壓、光伏陣列實際冗余量、串并聯(lián)數(shù)量等因素綜合考慮。在離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，電池組件串并聯(lián)后要通過控制器給蓄電池充電，此時串聯(lián)后的組件峰值電壓Uf必須滿足下列關(guān)系。

M×Up=Uf

Uf=？濁4×U

式中，UP為單體電池組件的峰值電壓，UF為組件串聯(lián)后的峰值電壓，？濁4為充電電壓系數(shù)，取值范圍為1.40-1.49，U為系統(tǒng)電壓。即一個標(biāo)稱電壓為96V的蓄電池，其組件串聯(lián)后的峰值電壓應(yīng)在134.4V-143.0V范圍內(nèi)，方可為其充電。

表2為一系列電池組件規(guī)格參數(shù)及其對應(yīng)的電池組件串并聯(lián)方式、方陣陣列實際總?cè)萘筷P(guān)系表。

從表2可以看出，為了滿足離網(wǎng)系統(tǒng)用電需求，選擇不同規(guī)格的電池組件，其實際容量是不同的。采用規(guī)格240W的電池組件實際光伏陣列總?cè)萘枯^小，即實際冗余量最小，故選用規(guī)格為240W的電池組件來構(gòu)建光伏陣列。

同時，選用表2的前兩種240W的電池組件實際光伏陣列總?cè)萘肯嗤?，但是第一種光伏陣列的并聯(lián)數(shù)為6，第二種光伏陣列的并聯(lián)數(shù)為3，從控制器選擇及轉(zhuǎn)換效率角度出發(fā)，并聯(lián)數(shù)越少系統(tǒng)效率更高。故此方案選擇第二種240W的組件規(guī)格。

4.4.4 電池組件傾斜角設(shè)計

為了獲取更多太陽資源，光伏陣列的放置可以采用水平放置、固定傾斜角放置、單軸跟蹤和雙軸跟蹤等模式。對于離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于受其環(huán)境影響，光伏陣列將更多的采用固定傾斜角放置方式。在實際工程項目中，電池組件傾斜角設(shè)置如表3所示。

一般來講，固定傾角太陽能電池方陣面上的輻射量要比水平面輻射量高5%～15%。直射分量越大、緯度越高，傾斜面比水平面增加的輻射量越大。

但是，在采用上述最佳傾斜角設(shè)置方法時，雖然可以使光伏發(fā)電系統(tǒng)一年內(nèi)獲取最大放電量。但是對于離網(wǎng)系統(tǒng)來說，為了在最惡劣的環(huán)境下不缺電，其光伏陣列傾斜角的設(shè)計，應(yīng)使系統(tǒng)在最惡劣環(huán)境下獲取最大的太陽資源，而不是使系統(tǒng)在一年內(nèi)獲取最大太陽資源。所以對于此離網(wǎng)系統(tǒng)傾斜角主要是保證在冬天2月份獲取最大輻照度。為了獲取更優(yōu)傾斜角，可以采用Retscreen軟件進(jìn)行分析。圖4為浙江衢州地區(qū)3種傾斜角獲取太陽資源的情況。

從圖4中可以看出傾斜角為28度時，該地區(qū)2月份可以獲取最大太陽資源，其日峰值日照時數(shù)為2.70h，同時年平均日峰值日照時數(shù)也獲取較大，達(dá)到3.71h。故傾斜角設(shè)置為28度。

4.4.5 鉛酸蓄電池容量C設(shè)計

離網(wǎng)光伏系統(tǒng)中，蓄電池容量設(shè)計要考慮負(fù)載耗電量、逆變器效率、氣象參數(shù)等因素。一般計算公式如下：

C×L×S×U=D×F×PF

式中，C蓄電池容量，Ah；F蓄電池放電效率修正系數(shù)，通常取1.05；PF平均負(fù)荷容量，Ah；L蓄電池的維修保養(yǎng)率，取0.8；S蓄電池的放電深度，取0.5；D表示無日照期間用天數(shù)，該地區(qū)2月份，最惡劣條件下，D為5天。

代入上述參數(shù)可得C為1367.2Ah，系統(tǒng)電壓為96V。實際可選擇標(biāo)稱電壓為48V100AH的蓄電池28個，進(jìn)行2串14并的連接方式。

4.4.6 光伏控制器選擇

光伏控制器主要實現(xiàn)蓄電池的充放電保護(hù)，其系統(tǒng)功率、系統(tǒng)電壓等級、光伏組件路數(shù)、電流等級等內(nèi)容來確定。例如可選擇系統(tǒng)電壓為96V，系統(tǒng)電流為60A，容量為6kW的光伏控制器。

4.4.7 光伏逆變器選擇

光伏逆變器的選擇主要由系統(tǒng)電壓、輸出電壓、輸出波形等因素確定。但是對于一般電感性負(fù)載，如電機(jī)、冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)，在起動時，功率可能是額定功率的5～6倍。因此，通常電感負(fù)載起動時，逆變器將承受大的瞬時浪涌功率。所以在逆變器選擇時要放足夠的容量空間，本案例選擇輸入電壓為96V，輸出220V，容量為10kW的工頻純正波逆變器離網(wǎng)逆變器。

5 結(jié)束語

為滿足上述案例用電需求，光伏陣列共采用轉(zhuǎn)換效率為15%的24塊240W的單體組件，共5760W，有效組件面積約為40m2；蓄電池采用標(biāo)稱電壓為48V100AH的28只蓄電池進(jìn)行2串14并連接；控制器采用電壓等級96V，容量為10kW工頻純正波逆變器，系統(tǒng)成本約8.4萬左右。其中主要成本為鉛酸蓄電池，約占系統(tǒng)的62%，原因為本案例考慮的是缺電率為零離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計，而且在惡劣條件下蓄電池放電量為0.5，連續(xù)陰雨天數(shù)為5天，故蓄電池的配置成本相對較高。為了減少蓄電池配置容量，降低系統(tǒng)成本，在實際工程中可以采用市電互補(bǔ)離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)模式進(jìn)行離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)配置。

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作者簡介：廖東進(jìn)（1979-），男，浙江衢州人，副教授，碩士，主要從事光伏發(fā)電方面的研究。